[第1実施形態]
 図1に本発明の実施形態の位置センサを含む システムの模式図を示す。本形態の位置セン サは、センサ部1、制御部3、ホストコンピュ� ��タ4から構成される。制御部3は、スイッチ� �31、静電容量検出部32、データ処理部33を備� �、指2などの導体がセンサ部1のどの位置に接 近しているのかを検出する。ホストコンピュ ータ4は、この結果を用いて様々な処理(ボリ� ��ーム調整、リストスクロール、ポインタの� ��置制御など)を行う。

 図2に、本発明の実施形態の静電容量センサ と位置センサの構成を示す。静電容量センサ 100は、センサ部1、スイッチ部31、静電容量検 出部32から構成される。位置センサ200は、静� ��容量センサ100とデータ処理部33から構成さ� �る。センサ部1は、M×N個のセンサ電極11 _mn がある。ただし、MとNは、1以上の整数である 。センサ部1は、PWB(printed-wiring board)、FPC(flexi ble printed circuit)基板のようなプリント基板� �メンブレン印刷配線板などによって構成す� �ばよい。センサ電極11 _mn は、PWBやFPCの場合は銅箔で形成し、メンブレ ン印刷配線板の場合は銀インクやITOなどの透 明抵抗体で形成すればよい。また、センサ電 極11 _mn の形状は長方形に限らず、円形や六角形など も選択可能であり、用途に合わせて数を決め ればよい。スイッチ部31はこれらのセンサ電� ��11 _mn の中から、1つ以上のセンサ電極11 _mn を選択し、静電容量検出部32に接続する。静� ��容量検出部32は、選択されたセンサ電極11 _mn 全体とアースとの静電容量を検出し、静電容 量を示す情報を出力する。これが、静電容量 センサ100の出力である。なお、静電容量の検 出方法に限定はなく、静電容量検出部32は、� ��えば、特開平9-280806号公報、特開2001-264194号 公報、及び特開2004-184307号公報等に開示され� ��公知の静電容量検出回路によって構成され� ��。データ処理部33は、静電容量検出部32が出 力する静電容量を示す情報を、各センサ電極 11 _mn の位置の情報を用いて、センサ部1に接近し� �指などの位置を計算し、出力する。なお、� �ータ処理部33は、例えば、CPU(central processing� �unit)やRAM(random-access memory)等から構成される� ��知のコンピュータに所定のプログラムが読� ��込まれ、CPUがこれを実行することによって� ��成される。また、集積回路と半導体メモリ� ��によってデータ処理部33を構成してもよい� �

 静電容量センサの利用方法によって、スイ� ��チ部31の制御方法や、センサ電極11 _mn の選択の方法は、様々である。例えば、“ボ タン”アプリケーションとして利用するので あれば、1つまたは複数の特定のセンサ電極11 _mn を常時選択しておき、オン、オフのみが検出 できるようにすればよい(1/0の信号を出力す� �)。指の位置センサとして用いるのであれば� ��1つまたは複数のセンサ電極11 _mn をスキャンさせ(あらかじめ定めた時間ごと� �選択するセンサ電極または選択するセンサ� �極の組合せを変え)、静電容量の位置的な違� ��から指の位置を求めればよい。スキャンの� ��法もさまざまであり、連続して配列された� ��数のセンサ電極11 _mn を、その組合せを変えながら順番に選択して もよいし、mが同じセンサ電極11 _mn を直線状に選択しながらスキャンした後、n� �同じセンサ電極11 _mn を直線状に選択しながらスキャンしても良い 。なお、「連続して配列された複数のセンサ 電極」は、連続して隣り合う複数のセンサ電 極であってもよいし、それらのセンサ電極の 少なくとも一部が少なくとも1つの座標上で� �なりあったものであってもよい。つまり、� �連続して配列」は、一連に連続的に配列さ� �た状態だけではなく、一連に離散的に配列� �れた状態をも意味する。また、複数のセン� �電極11 _mn が連続して隣り合う状態とは、これら複数の センサ電極11 _mn を要素とする集合の各要素が、必ず当該集合 の何れかの要素に隣接している状態である。 例えば、隣接する2つのセンサ電極11 _mn や、1つのセンサ電極11 _mn に2つのセンサ電極11 _mn が隣接してなる3つのセンサ電極11 _mn は、連続して隣り合う複数のセンサ電極11 _mn である。また、複数のセンサ電極11 _mn を同時に選択してスキャンを行う場合、一部 のセンサ電極11 _mn が重複して選択されるように制御されること が望ましい。言い換えると、ある時点で選択 されるセンサ電極11 _mn の組合せと、他の時点で選択されるセンサ電 極11 _mn の組合せとが、同一の前記センサ電極を含む ように制御されることが望ましい。さらに言 い換えると、スイッチ部31が選択するセンサ� ��極11 _mn の組合せは、スイッチ部31が選択する他のい� ��れかのセンサ電極11 _mn の組合せに含まれるセンサ電極11 _mn を含むことが望ましい。この場合、走査密度 を高くできるため、静電容量センサ100の分解 能を向上できる。さらにこの場合、各センサ 電極11 _mn がそれぞれ複数の位置の静電容量検出に共用 されるため、センサ電極11 _mn の数を削減でき、センサ部1を小型化できる� �さらに、求めた位置の時間的な変化から移� �方向や移動速度を求め、画面表示されたリ� �トをスクロールさせるための制御に用いて� �よい。本発明の静電容量センサを位置セン� �として利用する場合のスイッチ部31の制御方 法や、データ処理部33での計算方法について� ��後述する。

 さらに、センサ電極の配置も、1次元アレ イ、2次元アレイ、リング状などいろいろあ� �、利用方法に合わせて決めればよい。図3は� ��センサ部のセンサ電極の配置例を示してい� ��。図3Aは1次元アレイの場合、図3Bは2次元ア� ��イの場合、図3Cはリング状の場合を示して� �る。図3Aのセンサ部5は、4つのセンサ電極51~5 4を備えている。図3Bのセンサ部6では、電気� �に接続された複数の正方形の電極でセンサ� �極61が形成され、同じようにセンサ電極62、6 3も形成されている。さらに、センサ電極61~63 と垂直な方向に電気的に接続された複数の正 方形の電極でセンサ電極64~66も形成されてい� ��。図3Bでは、センサ電極61~63が指の横方向の 位置を検出するために用いられ、センサ電極 64~66が指の縦方向の位置を検出するために用� ��られる。図3Cのセンサ部7では、リング状に8 個のセンサ電極71~78が配置されている。なお� ��本形態の構成の静電容量センサで高い感度( SN比)を実現するためには、各センサ電極は互 いに近接して配置されることが望ましい。少 なくとも、スイッチ部31に選択されていない� ��態で互いに絶縁されるセンサ電極(例えば、 図3Aのセンサ電極51~54)の間隔は、センサ部1に タッチする導体の幅(例えば指の幅)より小さ� ��ことが望ましい。これらのセンサ電極の間� ��がセンサ部1にタッチする導体の幅よりも大 きいと、後述する静電容量センサの感度(SN比 )を向上させる効果が十分に得られないから� �ある。

 図4は、静電容量センサの具体的な構成例 を示す図である。静電容量センサ100’は、セ ンサ部8、スイッチ部31、静電容量検出部32か� ��構成される。センサ部8は、直線状に配置さ れた4つのセンサ電極81~84を有する。スイッチ 部31は、スイッチ91~94を有し、各スイッチ91~94 はそれぞれセンサ電極81~84に接続されている� ��したがって、スイッチのオン、オフによっ� ��、センサ電極を選択して静電容量検出部32� �接続できる。なお、複数のセンサ電極が選� �された場合、選択された複数のセンサ電極� �間は短絡され、それらが静電容量検出部32に 接続される。この場合、選択された複数のセ ンサ電極は1つの導体として機能する。例え� �、センサ電極81,82が選択され、スイッチ91,92� ��オンになり、スイッチ93,94がオフとなった� �合、センサ電極81,82の間がスイッチ91,92やそ� ��らに接続された配線を通じて短絡し、セン� ��電極81,82が1つの導体として機能する。これ� ��より、センサ電極の面積が実質的に拡大し� ��静電容量センサの感度(SN比)が向上する。セ ンサ電極の面積が拡大することによって静電 容量センサの感度が向上する理由は後述する 。

 図5は、図4に示した静電容量センサ100’� �センサ部8の動作の例を示す図である。図5の 網掛けされたセンサ電極が、スイッチ部31に� ��って選択されたセンサ電極である。図6は、 図4に示した静電容量センサ100’のスイッチ� �31の動作の例を示す図である。横軸は時間、 縦軸は各スイッチ91~94の状態を示している。� ��の例では、2つのセンサ電極を選択しながら スキャンしている。時間taでは、スイッチ91� �92がオン状態であり、スイッチ93、94がオフ� �態である。つまり、センサ電極81、82が静電� ��量検出部32に並列に接続されている。時間tb では、スイッチ92、93がオン状態、スイッチ91 、94がオフ状態である。時間tcでは、スイッ� �93、94がオン状態、スイッチ91、92がオフ状態 である。静電容量センサ100’は、このように 2つのセンサ電極を選択したスキャンを繰り� �し、静電容量を示す情報を出力する。ここ� �、図2に示したデータ処理部33を接続し、時� �と静電容量を示す情報とを用いて解析を行� �と、どのセンサ電極に指などが接近してい� �かが分かる。例えば、時間taでの静電容量が 大きければ、センサ電極81、82の近くに指が� �ることが分かる。さらに、センサ電極の位� �(座標)が分かると、指などの位置(座標)も分� ��る。つまり、静電容量センサ100’にデータ� ��理部33を付加することで、位置センサを構� �できる。

 図7は、6つのセンサ電極を直線状に配置� �たセンサ部8’の動作の例を示す図である。� ��の例では、3つのセンサ電極を選択しながら スキャンしている。このように3つのセンサ� �極を選択してもよいし、4つ以上のセンサ電� ��を選択してもよい。選択するセンサ電極の� ��を多くすれば、選択されたセンサ電極全体� ��の電極の面積を広くできる。指とセンサ電� ��との関係は並行平板コンデンサに近似でき� ��ので、指と電極の面積を大きくできれば、� ��電容量を大きくでき、センサとしての感度� ��向上できる。一方、選択するセンサ電極の� ��を多くしすぎると、位置の分解能が低下し� ��しまう。したがって、指が筐体に接触する� ��積と同じくらいの面積となるように、セン� ��電極の数を決めればよい。

 図8は、リング状にセンサ電極を配置した 場合のセンサ部7の動作の例を示す図である� �例えば、選択されたセンサ電極を、(a)セン� �電極78、71、(b)センサ電極71、72、(c)センサ電 極72、73、(d)センサ電極73、74、(e)センサ電極7 4、75、(f)センサ電極75、76、(g)センサ電極76、 77、(h)センサ電極77、78のようにスキャンさせ 、さらにこのスキャンを繰り返す。スキャン は逆向きでもよいし、選択するセンサ電極の 数も2つに限られない。

 次に、センサ電極の面積を広げることが、� ��電容量センサの感度(SN比)を向上させる理由 を説明する。図9に、1つのセンサ電極を静電� ��量検出部に接続した場合の静電容量検出部� ��らの出力を説明するための図を示す。図10� �、2つのセンサ電極を静電容量検出部に接続� ��た場合の静電容量検出部からの出力を説明� ��るための図を示す。どちらも、横軸は時間� ��あり、縦軸は静電容量検出部から出力され� ��静電容量を示す情報(例えば、電圧値)であ� �。この例では、時間T1とT3では指などの導体� ��接近しておらず、時間T2では指などの導体� �接近している。Nはノイズの振幅、Sは信号の 振幅を示している。しきい値は、指などの導 体が接近しているか接近していないか(オン/� ��フ)を判断する基準であり、しきい値を超え る場合がオン、しきい値より小さい場合がオ フである。2つのセンサ電極の面積は、1つの� ��ンサ電極に対して2倍広いので、信号の振幅 Sが2倍程度となる。一方、2つのセンサ電極は 1つの導体とみなされるため、ノイズの振幅� �変わらない。したがって、SN比が改善される 。例えば、A ₁ やB ₁ のように大きなノイズが生じた場合に、図9� �例ではオン/オフを誤判断してしまう。一方� ��A ₂ やB ₂ のように大きなノイズが生じた場合でも、図 10の例ではオン/オフの誤判断は生じない。こ のように複数のセンサ電極を選択することで オン/オフの振幅が広くなり、操作時の誤認� �がなくなる。さらに、信号がタッチ面積に� �例することを利用して、押圧を検出するこ� �が従来より行われているが、本発明の方法� �よれば、押圧の分解能を向上させることも� �きる。

 図11に、同じ幅のセンサ部に異なる数の� �ンサ電極を配置した例を示す。この例では� �ンサ電極を配置できる範囲は、指2本分程度� ��している。図11Aは2つのセンサ電極81”、82� �を配置した場合であり、1つのセンサ電極の� ��は指1本分程度である。この場合は、センサ 電極81”だけを静電容量検出部に接続した状� ��と、センサ電極82”だけを静電容量検出部� �接続した状態とを繰り返す。したがって、� �が右にあるか左にあるかを検出できる。図11 Bは4つのセンサ電極を配置した場合であり、1 つのセンサ電極の幅は指の幅の1/2程度である 。この場合は、センサ電極81~84の中から隣接� ��る2つのセンサ電極を選択しながらスキャン するので、3つの状態を検出できる。つまり� �指が右、中央、左のどこになるかを検出で� �る。図11Cは6つのセンサ電極を配置した場合� ��あり、1つのセンサ電極の幅は指の幅の1/3程 度である。この場合は、センサ電極81’~86’� ��中から隣接する3つのセンサ電極を選択しな がらスキャンするので、4つの状態を検出で� �る。測定精度の関係などから限界はあるが� �センサ電極を小型化することで、判定でき� �状態の数を増やすことができることが分か� �。この効果は、1次元(直線状やリング状)に� �ンサ電極を配置した場合に限らず、2次元に� ��ンサ電極を配置した場合にも得られる。

 次に、4つのセンサ電極を用いて指の位置を 求める方法を説明する。図12は、指の半分の� ��のセンサ電極を1つずつ選択しながらスキャ ンした場合に求められるタッチ座標の特性を 説明するための図である。図13は、指の半分� ��幅のセンサ電極を2つずつ選択しながらスキ ャンした場合に求められるタッチ座標の特性 を説明するための図である。図12Aと図13Aは、 センサ電極111~114、121~124の配置を説明するた� ��の図である。センサ電極111~114の中心は、そ れぞれx ₀ ~x ₃ の位置(座標)である。センサ電極121と122を合� ��せた電極の中心はx ₀ ’、センサ電極122と123を合わせた電極の中心 はx ₁ ’、センサ電極123と124を合わせた電極の中心 はx ₂ ’である。

 図12B-図12Eは、各センサ電極の静電容量と 指の位置(座標)の関係を示す図である。横軸� ��、指の座標(指の中心部分の位置)を示して� �る。縦軸は、各センサ電極が静電容量検出� �32に接続されたときの静電容量検出部32の出� ��(静電容量を示す情報)である。指の幅がセ� �サ電極の幅よりも広いので、出力が、最大� �で一定となる領域がある。図13B-図13Dは、選� ��された2つのセンサ電極の静電容量と指の位 置(座標)の関係を示す図である。横軸は、指� ��座標(指の中心部分の位置)を示している。� �軸は、選択された2つのセンサ電極が静電容� ��検出部32に接続されたときの静電容量検出� �32の出力(静電容量を示す情報)である。図13B� ��センサ電極121と122が選択された場合、図13C� ��センサ電極122と123が選択された場合、図13D� ��センサ電極123と124が選択された場合である� ��指の幅と2つのセンサ電極を合わせた幅がほ ぼ一致するので、指と2つの電極とがちょう� �重なったときだけ出力が最大となる。図12B-� ��12Eと図13B-図13Dに示されたしきい値は、後述 する加重平均に静電容量検出部32からの出力� ��利用するか否かの基準である。しきい値よ� ��も出力が小さい場合はノイズ成分が多いの� ��、しきい値以下を除去した信号を、静電容� ��を示す情報として利用する。

 図12Fと図13Eは、指の座標(横軸)に対するし� �い値以下を除去した静電容量(縦軸)を示して いる。図12FのD ₀ はセンサ電極111の静電容量、D ₁ はセンサ電極112の静電容量、D ₂ はセンサ電極113の静電容量、D ₃ はセンサ電極114の静電容量である。図13EのD ₀ ’はセンサ電極121と122の静電容量、D ₁ ’はセンサ電極122と123の静電容量、D ₂ ’はセンサ電極123と124の静電容量である。図 12Fと図13EのWの範囲に指があるときは、静電� �量検出部32からの出力が重複する範囲である 。

 データ処理部33では、スキャンによって得� �れた静電容量を示す情報の加重平均を計算� �る。図12の場合は次式で示される。
また、図13の場合は次式で示される。

 図12Gと図13Fは、指の座標(横軸)に対する� �重平均によって得られるタッチ座標(縦軸)を 示している。なお、タッチ座標とは、データ 処理部33での計算によって得られた指の座標� ��ある。タッチ座標を正確に計算できれば、� ��ラフは単純増加の直線となるはずである。� ��12Gと図13Fから、2つのセンサ電極を選択した 場合(図13)の方が、直線性が高いことが分か� �。これは、図13EのWで示した範囲(静電容量検 出部32からの出力が重複する範囲)が広いので 、加重平均によりアナログ的にタッチ座標を 計算できるからである。このように、センサ 電極の面積を小さくし、複数のセンサ電極を 同時に選択してスキャンすることと、加重平 均による計算を組み合わせることで、タッチ 座標をアナログ的に求めることができる。し たがって、直線性を向上できる。

 なお、図14は図12の場合の位置センサの処 理フローを示す図である。図12の場合の位置� ��ンサは次のように動作させればよい。スイ� ��チ部31は、センサ電極111に対応するスイッ� �をオンにする(S110)。静電容量検出部32は、セ ンサ電極111の静電容量を検出する(S111)。次に 、スイッチ部31は、センサ電極112に対応する� ��イッチをオンにする(S112)。静電容量検出部3 2は、センサ電極112の静電容量を検出する(S113 )。スイッチ部31は、センサ電極113に対応する スイッチをオンにする(S114)。静電容量検出部 32は、センサ電極113の静電容量を検出する(S11 5)。スイッチ部31は、センサ電極114に対応す� �スイッチをオンにする(S116)。静電容量検出� �32は、センサ電極114の静電容量を検出する(S1 17)。ステップS111、S113、S115、S117の結果から� �しきい値以下のノイズ成分を除去し、それ� �れの静電容量を求める(S118)。ステップS118で� ��めた静電容量を加重平均し、タッチ座標を� ��める(S119)。

 また、図15は図13の場合の位置センサの処 理フローを示す図である。図13の場合の位置� ��ンサは次のように動作させればよい。スイ� ��チ部31は、センサ電極121とセンサ電極122に� �応するアナログスイッチをオンにする(S120)� �静電容量検出部32は、センサ電極121とセンサ 電極122の静電容量を検出する(S121)。次に、ス イッチ部31は、センサ電極122とセンサ電極123� ��対応するアナログスイッチをオンにする(S12 2)。静電容量検出部32は、センサ電極122とセ� �サ電極123の静電容量を検出する(S123)。スイ� �チ部31は、センサ電極123とセンサ電極124に対 応するアナログスイッチをオンにする(S124)。 静電容量検出部32は、センサ電極123とセンサ� ��極124の静電容量を検出する(S125)。ステップS 121、S123、S125の結果からのしきい値以下のノ� ��ズ成分を除去し、それぞれの静電容量を求� ��る(S126)。ステップS126で求めた静電容量を加 重平均し、タッチ座標を求める(S127)。このよ うな処理フローによって、タッチ座標は計算 できる。

 上述のように、本発明の静電容量センサ� ��位置センサによれば、静電容量を検出する� ��ンサ電極の面積を、求められる感度を満足� ��るように広くすることができる。したがっ� ��、個々のセンサ電極を小さくでき、かつ、� ��体を厚くできる。また、ノイズが大きい環� ��下でも、センサの信頼性を高くできる。ま� ��、本発明の位置センサによれば、指の大き� ��に合わせてセンサ電極の数を調整できるの� ��、計算された指の位置と実際の指の位置と� ��誤差を小さくすることができる。また、加� ��平均を用いた計算によれば、アナログ的に� ��の位置が計算できるので、計算された位置� ��直線性を向上できる。さらに、あらかじめ� ��めた値よりも大きい静電容量の時だけ、静� ��容量を示す情報を位置の計算に用いれば、� ��イズ成分を除去できるので、タッチ座標の� ��定性を向上させることができる。また、複� ��のセンサ電極を同時に選択してスキャンを� ��う場合に、一部のセンサ電極が重複して選� ��されるように制御させた場合、センサ部を� ��型化でき、さらに静電容量センサの分解能� ��向上させることができる。

[変形例1]
 図16は、センサ電極の間に穴を開けた場合� �センサ部の構成例である。センサ部の筐体(� ��作面)131は不透明な素材であり、意匠134(例� �ば文字)は透明または半透明の素材で、光を� ��過できるようになっている。筐体の下には� ��ンサ部が配置されている。センサ部132には� ��センサ電極135が配置されるとともに、穴136� ��ある。センサ部132の下にはELシート133が配� �されている。ELシート133を光らせると、穴136 を光が透過し、筐体の意匠を光らせることが できデザイン性を向上できる。なお、ELシー� ��133の代わりに、LEDなどの発光素子を用いて� ��よい。

 本来、穴136を設けることで、その分センサ� ��極135の面積は狭くなり、センサ電極の感度� ��悪くなる。しかし、穴136の両サイドのセン� ��電極を同時に選択することでセンサ電極の� ��積を2倍にし、タッチしている面積を1つの� �ンサ電極の面積より広くすれば、静電容量� �ンサの感度を良くできる。この時、穴136が� �ッチする面積(例えば指の大きさ)より大きい 場合は上記効果が得られないため、穴136はタ ッチする面積より小さくする必要がある。
 変形例1は、“ボタン”アプリケーションや 、“スライダ”アプリケーションなどに応用 でき、意匠を付加することで操作位置などを 指示することが可能になる。

[変形例2]
 第1実施形態では、各センサ電極の面積は等 しいことを前提に説明した。しかし、各セン サ電極の面積が等しいことに限定する必要は ない。デザインや筐体の構造上の制限などか ら、センサ電極の面積を均一にしない場合が ある。図17に、センサ電極の面積が均一でな� ��場合の例を示す。センサ部150は、センサ電� ��151~159を備えている。センサ電極151、155、159 は、センサ電極152~154、156~158の約2倍の面積で ある。上述したように静電容量センサの感度 は電極の面積に比例する。したがって、感度 を一定に保つためには、電極の面積をほぼ同 一にする必要がある。そこで、センサ電極151 、155、159を選択するときは1つのセンサ電極� �みを選択し、センサ電極152~154、156~158を選択 するときは2つのセンサ電極を選択する。こ� �ようにセンサ電極の面積が一定になるよう� �、センサ電極の数を調整すれば、静電容量� �ンサの感度を一定に保つことができる。

 この例では、センサ電極151、155、159が、� ��ンサ電極152~154、156~158の約2倍の面積の場合� ��示したので、センサ電極を1つ選択するか2� �選択するかで面積を一致させることができ� �。しかし、センサ電極の面積の組み合わせ� �は、選択されたセンサ電極の面積を一致さ� �ることができない場合もあり得る。一致さ� �ることがでない場合には、できるだけ感度� �一致させるように電極の数を選択すればよ� �。例えば、選択されるセンサ電極の面積の� �計があらかじめ定められた範囲内となるよ� �に電極の数を選択すればよい。このように� �ンサ電極の大きさが異なる場合であっても� �静電容量センサの感度を一定に保つことで� �“スライダ”アプリケーションとして使用� �きる。

 また、別の使用例として、センサ電極151� ��155、159を“ボタン”アプリケーションとし� ��使用し、センサ電極152~154、156~158をそれぞ� �“スライダ”アプリケーションとして使用� �るなど、複合的な使い方もできる。同じ静� �容量センサであっても、用途に応じてスキ� �ン方法を変えることで、様々なアプリケー� �ョンに対応できる。